4110柴油機(jī)連桿設(shè)計(jì)及有限元分析【說明書+CAD】

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從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 否 題目名稱 4110柴油機(jī)連桿設(shè)計(jì)及有限元分析 一、設(shè)計(jì)（論文）目的、意義 連桿是發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞動(dòng)力的重要組件，它在工作中承受各種復(fù)雜的、周期性變化的拉、壓及慣性力等外載荷，即使是同一類型的連桿，由于每根連桿的物理參數(shù)、幾何形狀也存在差異，在分析連桿的應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，要考慮這些不確定的因素，這樣才能得到更符合實(shí)際的結(jié)果。目前，有限元法已成為工程技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算分析工具，是研究發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的應(yīng)力、應(yīng)變的應(yīng)用中最常用的方法。該方法較用傳統(tǒng)的材料力學(xué)公式計(jì)算的結(jié)果更為精確。 二、設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法） 設(shè)計(jì)內(nèi)容：在給定發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)連桿，在PRO/E軟件平臺(tái)上建立零件的等比例物理模型，利用有限元ANSYS軟件，研究其應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及其危險(xiǎn)部位。 技術(shù)要求：在有限元分析中，科學(xué)的力學(xué)模型、準(zhǔn)確的邊界條件約束決定著分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。考慮連桿應(yīng)力計(jì)算中載荷施加的均勻性、對(duì)稱性和準(zhǔn)確性對(duì)桿身、大端和小端過渡區(qū)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果有很大的影響。 三、設(shè)計(jì)（論文）完成后應(yīng)提交的成果 （一）計(jì)算說明部分 1.連桿小頭的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.連桿桿身的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.連桿螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.主要部件校核 ６．設(shè)計(jì)說明書一份（1.5萬字以上） （二）圖紙部分 CAD總裝配圖1張,Pro/E,Ansys圖若干張 四、設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排 第1－２周 選題、領(lǐng)取任務(wù)書，調(diào)研，搜集資料，撰寫開題報(bào)告； 第３～5周　根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)連桿； 第6～8周　繪制連桿總裝配圖，中期答辯； 第9～13周　利用Pro/E建立模型，Ansys分析，并撰寫設(shè)計(jì)說明書； 第14周 完善設(shè)計(jì)并提交指導(dǎo)教師審核； 第15-16周 更改并最終完成設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備答辯； 第17周 畢業(yè)答辯。 五、主要參考資料 [1] 網(wǎng)絡(luò)類 中國(guó)機(jī)械CAD論壇等 [2] 期刊類 中國(guó)期刊網(wǎng)等 [3] 書籍類 連桿設(shè)計(jì)、PRO/E、Ansys圖書等 六、備注 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題目: 4110柴油機(jī)連桿設(shè)計(jì)及有限元分析 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí): 車輛工程07-10班 學(xué) 生 姓 名: 高 衡 導(dǎo) 師 姓 名: 朱榮福 開 題 時(shí) 間: 2011-3-1 指導(dǎo)委員會(huì)審查意見： 簽字： 年 月 日 開題報(bào)告撰寫要求 一、“開題報(bào)告”參考提綱 1. 課題研究目的和意義； 2. 文獻(xiàn)綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）； 3. 基本內(nèi)容、擬解決的主要問題； 4. 技術(shù)路線或研究方法； 5. 進(jìn)度安排； 6. 主要參考文獻(xiàn)。 二、“開題報(bào)告”撰寫規(guī)范 請(qǐng)參照《黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書及畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》要求。字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上，文字要精練通順，條理分明，文字圖表要工整清楚。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 學(xué)生姓名 高 衡 系部 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)、班級(jí) 車輛工程07-10 指導(dǎo)教師姓名 朱榮福 職稱 講師 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 4110柴油機(jī)機(jī)連桿設(shè)計(jì)及有限元分析 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1.課題研究現(xiàn)狀 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展，汽車工業(yè)也得到飛速提高，國(guó)內(nèi)近幾年汽車產(chǎn)量和銷量如下表： 年度 總產(chǎn)量 總銷量 乘用車 商用車 產(chǎn)量 銷量 產(chǎn)量 銷量 05年 570．77 575.82 393.07 397.11 177.7 178.71 06年 727.97 721.60 523.31 517.59 204.16 204.0 07年 528.32 517.0 378.0 368.0 158.0 149.0 汽車產(chǎn)量和保有量的迅速增長(zhǎng)導(dǎo)致了石油能源需求的矛盾加劇，使中國(guó)成為了石油進(jìn)口大國(guó)，每年需進(jìn)口石油總產(chǎn)量的百分之三十。2004年中國(guó)進(jìn)口了1.23億噸原油和4000萬噸成品油，共花了420億美元，以后將會(huì)逐年增加。柴油車得平均油耗要低于汽油車百分之三十。一輛3.2升奔馳E級(jí)柴油車平均耗油為7.5升，僅相當(dāng)于國(guó)內(nèi)排量1.4升汽油車的能源消耗。所以在發(fā)達(dá)國(guó)家，重型車使用柴油機(jī)占百分之百，轎車比例日益上升。2004年，歐盟新注冊(cè)的轎車中，柴油機(jī)占48.4﹪，其中法國(guó)69﹪，德國(guó)44﹪；連不太推崇柴油車的美國(guó)2004年注冊(cè)的柴油轎車也占6.1﹪。而在中國(guó)由于各方原因，2004年的乘用車銷量中柴油汽車僅占1.2﹪，普較占0.6﹪。 轎車使用柴油機(jī)已成為發(fā)展潮流，我國(guó)商用車按噸位3.5以上為重型，3.5以下為輕型車。目前重車基本應(yīng)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而輕型車配柴油機(jī)只占33﹪。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年國(guó)內(nèi)柴油市場(chǎng)達(dá)到190萬臺(tái)規(guī)模。其中40萬臺(tái)重型柴油機(jī)，27萬臺(tái)中、輕型柴油機(jī)，比06年增加8﹪。 轎車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)占比例雖然小，但轎車總量大，且柴油機(jī)品種在逐步增加，如捷達(dá)SD1發(fā)動(dòng)機(jī)、寶來1.9升TD1發(fā)動(dòng)機(jī)都是柴油機(jī)。近年玉柴研制出YC4V、YC6L-40都可達(dá)到歐Ⅲ或歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。云內(nèi)柴油機(jī)同長(zhǎng)城哈佛、奇瑞瑞虎配套。大眾柴油機(jī)向奔馳集團(tuán)年供12萬臺(tái)。還有一大批新款歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)汽車柴油機(jī)正在研制之中。 2.選題背景、意義 內(nèi)燃機(jī)自十九世紀(jì)后期出現(xiàn)以來，經(jīng)過一百多年的不斷研究和改進(jìn)，已經(jīng)發(fā)展到比較完善的程度，它以熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬廣、比重量較小的優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)力機(jī)械中占有極其重要的地位，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事裝備的各個(gè)領(lǐng)域。 連桿是內(nèi)燃機(jī)中的重要的傳動(dòng)零件之一，其作用是連接活塞與曲軸，將作用在活塞上的力傳給曲軸，使活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)外輸出做功。連桿小端工作時(shí)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，桿身作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，因此連桿的受力情況十分復(fù)雜。連桿是內(nèi)燃機(jī)中承受負(fù)荷最嚴(yán)重的零件之一，工作時(shí)同時(shí)承受著活塞傳來的氣體壓力、往復(fù)慣性力和它本身擺動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力的作用，這些力的大小和方向周期性變化。在長(zhǎng)期使用中，連桿會(huì)因活塞的劇烈推力和曲軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)等因素，出現(xiàn)彎曲和扭曲現(xiàn)象。連桿一旦出現(xiàn)彎曲和扭曲，除了會(huì)使活塞拉缸外，還會(huì)致使活塞、氣缸、曲軸等機(jī)件出現(xiàn)不正常磨損，并很容易引起疲勞破壞而斷裂，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，直接關(guān)系到使用人的安全，造成極嚴(yán)重的后果。 以往，連桿的的制造以鑄造法和鍛造法為主；20世紀(jì)80年代以來，由于采用粉末鍛造法大批量生產(chǎn)的粉鍛連桿具有力學(xué)性能優(yōu)、尺寸精度高、質(zhì)量較輕及質(zhì)量偏差很小等特點(diǎn)，因而相繼在發(fā)達(dá)國(guó)家快速發(fā)展，逐漸取代鑄造和鍛造連桿。而高密度燒結(jié)法制造連桿也快速發(fā)展，并具有良好的力學(xué)性能。 現(xiàn)今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是各種分析軟件的日益成熟，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制開發(fā)過程中，對(duì)其零部件進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已成為輔助設(shè)計(jì)的重要手段。目前，有限元法已日趨成熟實(shí)用，所應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣并發(fā)揮著越來越重要的作用。有限元方法是近似求解一般連續(xù)問題的數(shù)值方法，它最先應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，很快就廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)問題。對(duì)于一個(gè)連續(xù)體的求解問題，有限元法的實(shí)質(zhì)就是將具有無限多個(gè)自由度的連續(xù)體，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處向連續(xù)，從而使問題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題，工程設(shè)計(jì)人員使用這些系統(tǒng)，就可以高效而正確合理地確定最佳設(shè)計(jì)方案。此方法已成為工程技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的的一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算分析工具，其在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用亦有了很大的進(jìn)展。連桿在工作中所受的各種外載荷復(fù)雜且做周期性變化，而且，即使是同一類型的連桿，連桿與連桿之間的物性參數(shù)、幾何形狀也存在差異，因此，在分析連桿的應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，要考慮這些不確定的因素，才能得到更符合實(shí)際的結(jié)果。這就需要用到采用傳統(tǒng)材料力學(xué)公式使得計(jì)算的結(jié)果更為精確的有限元方法對(duì)連桿進(jìn)行三維應(yīng)力應(yīng)變分析，以研究其在不同情況下的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及危險(xiǎn)部位。 3.研究目的 柴油機(jī)是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。柴油機(jī)行業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)工業(yè)車用柴油機(jī)的發(fā)展越來越受到重視，成為柴油機(jī)行業(yè)增長(zhǎng)速度最快的行業(yè)，也是我國(guó)大力發(fā)展的一個(gè)行業(yè)。車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)按其配套車型可分為貨車柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)和客、轎車用柴油機(jī)市場(chǎng)兩大類。當(dāng)前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)重點(diǎn)角逐的市場(chǎng)是輕型載貨車柴油機(jī)市場(chǎng)和客、轎車柴油機(jī)市場(chǎng)。 但是，由于受各種因素的影響，我國(guó)的柴油機(jī)研究還是落后于世界先進(jìn)水平。經(jīng)歷多年的市場(chǎng)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已不再滿足于憑借引進(jìn)產(chǎn)品獲得市場(chǎng)上的暫時(shí)領(lǐng)先，而認(rèn)識(shí)到核心技術(shù)是最關(guān)鍵的，只有通過引進(jìn)、消化、吸收的途徑，自己掌握了核心技術(shù)，企業(yè)才會(huì)有發(fā)展后勁并獲得可持續(xù)發(fā)展的條件。隨著我國(guó)汽車事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，作為汽車配套中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展瓶頸已日益凸顯。因此，必須研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柴油機(jī)，以提高我國(guó)汽車制造的國(guó)產(chǎn)率。 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的研究是一個(gè)很復(fù)雜的、很有前景的研究領(lǐng)域，有很多需要完善和提高的地方。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿精確的分析，可以為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)提供可靠的相關(guān)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)、改進(jìn)的周期和成本，提高其可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 2、 設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1.基本內(nèi)容 [1]確定發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù). [2]對(duì)連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和受力分析. [3]對(duì)連桿各部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算. [4]應(yīng)用Pro/E軟件建立三維立體模型. [5]應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析. 2. 擬解決的主要問題 [1]為滿足應(yīng)力對(duì)連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì). [2]應(yīng)用ANSYS對(duì)其進(jìn)行邊界條件限制、受力分析.. 三、技術(shù)路線（研究方法） 完成圖紙，設(shè)計(jì)說明書 應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)連桿進(jìn)行有限元分析 繪制連桿總裝配圖 利用PRO/E軟件建立三維立體模型 確定發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù) 調(diào)研和查閱相關(guān)資料 連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 連桿尺寸計(jì)算 連桿運(yùn)動(dòng)、受力、結(jié)構(gòu)分析 4、 進(jìn)度安排 第1－2周 選題，領(lǐng)取任務(wù)書，調(diào)研，搜集資料，撰寫開題報(bào)告； 第3～5周 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)連桿結(jié)構(gòu)、計(jì)算連桿尺寸； 第6～8周 繪制連桿總裝配草圖，中期答辯； 第9～13周　 利用PRO/E建立三維立體模型.結(jié)合ANSYS對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，并撰寫設(shè)計(jì)說明書； 第14周 完善設(shè)計(jì)并提交指導(dǎo)教師審核； 第15-16周 更改并最終完成設(shè)計(jì)，準(zhǔn)備答辯； 第17周 畢業(yè)答辯。 五、參考文獻(xiàn) [1]陸耀祖.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理[M].中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004 [2]袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1995 [3]楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981 [4]柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984 [5]吳兆漢.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京理工大學(xué)出版社，1995 [6]張小虞.汽車工程手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2007 [7]石津?。l(fā)動(dòng)機(jī)連桿彎曲疲勞強(qiáng)度的可靠性分析[J]．武漢工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005 [8]尚曉江，邱峰等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].中國(guó)水利水電出版社，2006 [9]李皓月，周田朋等.ANSYS工程計(jì)算應(yīng)用教程[M].中國(guó)鐵道出版社，2003 [10]譚繼錦 汽車有限元法[M].人民交通出版社，2005 [11]馬迅，胡振華.連桿強(qiáng)度和剛度的有限元分析[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004 [12]汪景峰.基于有限元法的曲軸與連桿強(qiáng)度剛度研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2004 [13]李景涌.有限元法[M].北京郵電大學(xué)出版社，2002 [14]蘇鐵熊，呂彩琴，張翼等.接觸問題對(duì)連桿有限元分析的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002 [15]石津俊．發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度的可靠性分析[J]．武漢工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005．7． [16]王東華．曲軸強(qiáng)度計(jì)算若干問題的探討[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002．3． [17]施興之．連續(xù)梁計(jì)算計(jì)算曲軸應(yīng)力的研究[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2001．2． [18]郝志勇．多缸機(jī)曲軸連續(xù)梁計(jì)算法的改進(jìn)[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002．4． [19]BickleyI, D’OlierV, Fessler H. 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Zhu Rongfu Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin 外文封面示例Times New Roman體，字號(hào)與中文對(duì)應(yīng) 外文封面示例Times New Roman體，字號(hào)與中文對(duì)應(yīng) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 中文摘要示例 摘　　要 本文以4110柴油機(jī)的相關(guān)參數(shù)作為參考，對(duì)四缸柴油機(jī)的連桿進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算，并對(duì)連桿進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論分析，最后運(yùn)用Pro/E進(jìn)行三維建模運(yùn)用ANSYS進(jìn)行了有限元分析。 首先，以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)為依據(jù)，對(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)中的受力等問題進(jìn)行詳盡的分析，并得到了精確的分析結(jié)果，同時(shí)對(duì)連桿用材料進(jìn)行了比較與分析。其次分別對(duì)連桿大頭、連桿桿身以及連桿小頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的校核。再次，應(yīng)用CAD軟件：Pro/E軟件建立了連桿的三維幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，又對(duì)靜力作用下對(duì)連桿的兩種特殊工況；拉伸、壓縮工況下進(jìn)行了受力計(jì)算，再將連桿三維幾何模型導(dǎo)入ANSYS中對(duì)其進(jìn)行了定義特性、網(wǎng)格劃分、施加約束和載荷，最后進(jìn)行計(jì)算以達(dá)到對(duì)連桿進(jìn)行強(qiáng)度校核的目的。 關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；連桿；強(qiáng)度校核；Pro/E；ANSYS  ABSTRACT Taking 4110 as the reference parameters of the diesel engine, four-cylinder diesel e- ngine connecting rod on the design and size were calculated, and linkage to the theory of kinematics and dynamics analysis, and finally the use of Pro / E for the use of three-dim- ensional modeling ANSYS finite element analysis carried out. First, the theoretical knowledge of kinematics and dynamics based on the movement of connecting rod and the force in motion a detailed analysis of such issues and get accurate results, while the materials were used on the rod comparison and analysis. Followed by on the connecting rod, connecting rod shaft and the connecting rod small end and size of stru- ctural design calculations, and were checking the structural strength and stiffness. Again, application CAD software: Pro / E software to establish a link of three-dimensional geome- tric model, based on the work in this, but also on the static on the link under the two special conditions; tension, compression conditions were the force calculation, and then link into ANSYS three-dimensional geometric model is defined in its properties, meshing, impose constraints and loads, and finally calculated to achieve the purpose of checking the strength rod 外文摘要示例 Key words: Diesel engine；Connecting rod；Strength check；Pro/E；ANSYS II 目 錄 摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 第1章 緒 論 1 1.1 選題的目的和意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 2 1.3設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 4 第2章 連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 5 2.1 連桿的運(yùn)動(dòng)和受力分析 5 2.2 連桿的結(jié)構(gòu)分析 5 2.3 連桿的工作條件和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 6 2.4 連桿的材料性能及特點(diǎn) 6 2.5 連桿基本參數(shù)的確定 7 2.6 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 2.6.1 小頭結(jié)構(gòu)型式 8 2.6.2連桿襯套 8 2.6.3小頭結(jié)構(gòu)尺寸 9 2.7連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 2.7.1桿身結(jié)構(gòu)型式 9 2.7.2桿身結(jié)構(gòu)尺寸 9 2.8 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 2.8.1 大頭結(jié)構(gòu)型式 10 2.8.2大頭結(jié)構(gòu)尺寸 10 2.9 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 10 2.10 本章小結(jié) 11 第3章 連桿的強(qiáng)度、剛度計(jì)算 12 3.1連桿小頭的強(qiáng)度校核 12 3.2連桿小頭的剛度計(jì)算 14 3.3連桿桿身的強(qiáng)度校核 14 3.4連桿大頭的強(qiáng)度校核 17 3.5連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 18 3.6連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 19 3.7本章小結(jié) 19 第4章 連桿三維模型的建立及有限元分析 20 4.1 建立連桿大小頭及桿身 20 4.1.1建立新文件 20 4.1.2建立連桿體主體 20 4.1.3建立連桿大頭和小頭 21 4.1.4建立小頭油孔 21 4.1.5建立連桿凹槽 22 4.1.6 建立連桿大頭部位凸臺(tái) 22 4.1.7建立螺栓孔 23 4.2建立連桿端蓋 23 4.3建立連桿螺栓 24 5.4建立軸瓦及襯套 24 4.5連桿工況選擇與載荷計(jì)算 25 4.5.1 計(jì)算工況的選擇 25 4.5.2 連桿載荷的計(jì)算 25 4.6連桿幾何模型的建立 27 4.7約束條件 29 4.8 連桿應(yīng)力分析 29 4.8.1連桿拉伸工況下的應(yīng)力分析 29 4.8.2連桿壓縮工況下的應(yīng)力分析 34 4.9連桿安全系數(shù)計(jì)算 39 4.10 本章小結(jié) 40 結(jié) 論 41 參考文獻(xiàn) 42 致 謝 43 附 錄 44 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第1章 緒 論 1.1 選題的目的和意義 內(nèi)燃機(jī)自十九世紀(jì)后期出現(xiàn)以來，經(jīng)過一百多年的不斷研究和改進(jìn)，已經(jīng)發(fā)展到比較完善的程度，它以熱效率高、功率和轉(zhuǎn)速范圍寬廣、比重量較小的優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)力機(jī)械中占有極其重要的地位，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事裝備的各個(gè)領(lǐng)域[1]。 連桿是內(nèi)燃機(jī)中的重要的傳動(dòng)零件之一，其作用是連接活塞與曲軸，將作用在活塞上的力傳給曲軸，使活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)外輸出做功。連桿小端工作時(shí)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，桿身作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，因此連桿的受力情況十分復(fù)雜。連桿是內(nèi)燃機(jī)中承受負(fù)荷最嚴(yán)重的零件之一，工作時(shí)同時(shí)承受著活塞傳來的氣體壓力、往復(fù)慣性力和它本身擺動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力的作用，這些力的大小和方向周期性變化。在長(zhǎng)期使用中，連桿會(huì)因活塞的劇烈推力和曲軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)等因素，出現(xiàn)彎曲和扭曲現(xiàn)象。連桿一旦出現(xiàn)彎曲和扭曲，除了會(huì)使活塞拉缸外，還會(huì)致使活塞、氣缸、曲軸等機(jī)件出現(xiàn)不正常磨損，并很容易引起疲勞破壞而斷裂，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障，直接關(guān)系到使用人的安全，造成極嚴(yán)重的后果。 以往，連桿的的制造以鑄造法和鍛造法為主；20世紀(jì)80年代以來，由于采用粉末鍛造法大批量生產(chǎn)的粉鍛連桿具有力學(xué)性能優(yōu)、尺寸精度高、質(zhì)量較輕及質(zhì)量偏差很小等特點(diǎn)，因而相繼在發(fā)達(dá)國(guó)家快速發(fā)展，逐漸取代鑄造和鍛造連桿。而高密度燒結(jié)法制造連桿也快速發(fā)展，并具有良好的力學(xué)性能。 現(xiàn)今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是各種分析軟件的日益成熟，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制開發(fā)過程中，對(duì)其零部件進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已成為輔助設(shè)計(jì)的重要手段。目前，有限元法已日趨成熟實(shí)用，所應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣并發(fā)揮著越來越重要的作用。有限元方法是近似求解一般連續(xù)問題的數(shù)值方法，它最先應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，很快就廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)問題。對(duì)于一個(gè)連續(xù)體的求解問題，有限元法的實(shí)質(zhì)就是將具有無限多個(gè)自由度的連續(xù)體，理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處向連續(xù)，從而使問題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)型問題，工程設(shè)計(jì)人員使用這些系統(tǒng)，就可以高效而正確合理地確定最佳設(shè)計(jì)方案。此方法已成為工程技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的的一個(gè)強(qiáng)有力的計(jì)算分析工具，其在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用亦有了很大的進(jìn)展。連桿在工作中所受的各種外載荷復(fù)雜且做周期性變化，而且，即使是同一類型的連桿，連桿與連桿之間的物性參數(shù)、幾何形狀也存在差異，因此，在分析連桿的應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，要考慮這些不確定的因素，才能得到更符合實(shí)際的結(jié)果。這就需要用到采用傳統(tǒng)材料力學(xué)公式使得計(jì)算的結(jié)果更為精確的有限元方法對(duì)連桿進(jìn)行三維應(yīng)力應(yīng)變分析，以研究其在不同情況下的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及危險(xiǎn)部位[2]。 柴油機(jī)是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的各種動(dòng)力機(jī)械中熱效率最高、能量利用率最好、最節(jié)能的機(jī)型。柴油機(jī)行業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)工業(yè)車用柴油機(jī)的發(fā)展越來越受到重視，成為柴油機(jī)行業(yè)增長(zhǎng)速度最快的行業(yè)，也是我國(guó)大力發(fā)展的一個(gè)行業(yè)。車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)按其配套車型可分為貨車柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)和客、轎車用柴油機(jī)市場(chǎng)兩大類。當(dāng)前柴油發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)重點(diǎn)角逐的市場(chǎng)是輕型載貨車柴油機(jī)市場(chǎng)和客、轎車柴油機(jī)市場(chǎng)。但是，由于受各種因素的影響，我國(guó)的柴油機(jī)研究還是落后于世界先進(jìn)水平。經(jīng)歷多年的市場(chǎng)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已不再滿足于憑借引進(jìn)產(chǎn)品獲得市場(chǎng)上的暫時(shí)領(lǐng)先，而認(rèn)識(shí)到核心技術(shù)是最關(guān)鍵的，只有通過引進(jìn)、消化、吸收的途徑，自己掌握了核心技術(shù)，企業(yè)才會(huì)有發(fā)展后勁并獲得可持續(xù)發(fā)展的條件。隨著我國(guó)汽車事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，作為汽車配套中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展瓶頸已日益凸顯。因此，必須研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柴油機(jī)，以提高我國(guó)汽車制造的國(guó)產(chǎn)率。 發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的研究是一個(gè)很復(fù)雜的、很有前景的研究領(lǐng)域，有很多需要完善和提高的地方。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿精確的分析，可以為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)提供可靠的相關(guān)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)、改進(jìn)的周期和成本，提高其可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 1.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展，汽車工業(yè)也得到飛速提高，國(guó)內(nèi)近幾年汽車產(chǎn)量和銷量如下表： 表1.1 汽車產(chǎn)銷量表 年度 總產(chǎn)量 總銷量 乘用車 商用車 產(chǎn)量 銷量 產(chǎn)量 銷量 07年 570．77 575.82 393.07 397.11 177.7 178.71 08年 727.97 721.60 523.31 517.59 204.16 204.0 09年 528.32 517.0 378.0 368.0 158.0 149.0 汽車產(chǎn)量和保有量的迅速增長(zhǎng)導(dǎo)致了石油能源需求的矛盾加劇，使中國(guó)成為了石油進(jìn)口大國(guó)，每年需進(jìn)口石油總產(chǎn)量的百分之三十。2004年中國(guó)進(jìn)口了1.23億噸原油和4000萬噸成品油，共花了420億美元，以后將會(huì)逐年增加。柴油車得平均油耗要低于汽油車百分之三十。一輛3.2升奔馳E級(jí)柴油車平均耗油為7.5升，僅相當(dāng)于國(guó)內(nèi)排量1.4升汽油車的能源消耗。所以在發(fā)達(dá)國(guó)家，重型車使用柴油機(jī)占百分之百，轎車比例日益上升。2004年，歐盟新注冊(cè)的轎車中，柴油機(jī)占48.4﹪，其中法國(guó)69﹪，德國(guó)44﹪；連不太推崇柴油車的美國(guó)2004年注冊(cè)的柴油轎車也占6.1﹪。而在中國(guó)由于各方原因，2004年的乘用車銷量中柴油汽車僅占1.2﹪，普較占0.6﹪。 轎車使用柴油機(jī)已成為發(fā)展潮流，我國(guó)商用車按噸位3.5以上為重型，3.5以下為輕型車。目前重車基本應(yīng)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而輕型車配柴油機(jī)只占33﹪。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年國(guó)內(nèi)柴油市場(chǎng)達(dá)到190萬臺(tái)規(guī)模。其中40萬臺(tái)重型柴油機(jī)，27萬臺(tái)中、輕型柴油機(jī)，比06年增加8﹪[3]。 轎車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)占比例雖然小，但轎車總量大，且柴油機(jī)品種在逐步增加，如捷達(dá)SD1發(fā)動(dòng)機(jī)、寶來1.9升TD1發(fā)動(dòng)機(jī)都是柴油機(jī)。近年玉柴研制出YC4V、YC6L-40都可達(dá)到歐Ⅲ或歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。云內(nèi)柴油機(jī)同長(zhǎng)城哈佛、奇瑞瑞虎配套。大眾柴油機(jī)向奔馳集團(tuán)年供12萬臺(tái)。還有一大批新款歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)汽車柴油機(jī)正在研制之中。 隨著汽車工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能及可靠性要求越來越高，而連桿的強(qiáng)度、剛度對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性及可靠性至關(guān)重要，因此國(guó)內(nèi)外各大發(fā)動(dòng)機(jī)研制公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)連桿用材料及制造技術(shù)的研究都非常重視。 目前，碳素鋼和合金鋼連桿、非調(diào)質(zhì)鋼連桿、粉末冶金連桿、鈦合金連桿等都有很廣泛的應(yīng)用，但在力學(xué)性能、生產(chǎn)成本等各個(gè)方面又各有優(yōu)劣。非調(diào)質(zhì)鋼由于其材料的成本不高，作為一種廉價(jià)的節(jié)能鋼種，非調(diào)質(zhì)鋼正在逐步地取代調(diào)質(zhì)鋼，國(guó)外幾乎完全采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)連桿。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的要求，連桿的設(shè)計(jì)應(yīng)力提高，中碳錳釩系列非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)度無法滿足要求，目前德國(guó)在該鋼種的基礎(chǔ)上開發(fā)了強(qiáng)度級(jí)別更高的鋼種，正在推廣應(yīng)用。粉末燒結(jié)鍛造連桿的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)效益顯著，一般認(rèn)為粉末燒結(jié)鍛造連桿與鍛鋼連桿相比，材料可節(jié)約40%，生產(chǎn)成本可降低10%，能源消耗可節(jié)；但前些年由于金屬粉末的種類極少，又受到成本的限制，發(fā)展不快。鈦合金連桿可大幅度地降低連桿的質(zhì)量，但金屬鈦的抗拉強(qiáng)度比較低[4]。 高強(qiáng)度、輕量化、低成本是發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)鍛鋼連桿制造技術(shù)與國(guó)外差距不大，但在連桿輕量化方面還相當(dāng)落后。我國(guó)的鈦合金連桿、纖維強(qiáng)化鋁合金連桿、粉末冶金鍛造連桿的研究才剛剛起步。 雖然連桿加工本身所包括的工藝內(nèi)容并不復(fù)雜，但由于材質(zhì)、外形尺寸以及要求的加工精度，經(jīng)常給加工帶來不少困難。鍛造毛坯的精度及剛性差、孔加工的精度低、連續(xù)帶狀切屑的斷屑、平面加工的毛刺、因夾壓和內(nèi)應(yīng)力的重新分布而產(chǎn)生的幾何變形等，是加工工藝長(zhǎng)期以來需要研究和解決的主要技術(shù)問題。所以，連桿的工藝設(shè)計(jì)只有通過現(xiàn)場(chǎng)的不斷改善，才能最終達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。 采用三維模型進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，其過程如同實(shí)際產(chǎn)品的構(gòu)造或加工“制造”裝配過程一樣反映產(chǎn)品復(fù)雜的幾何形狀及相互之間的位置或裝配關(guān)系，使產(chǎn)品開發(fā)過程更加符合開發(fā)工程師習(xí)慣和思維方式。這樣，工程師可以更加專注于產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身，而不是產(chǎn)品的圖形表示。利用三維裝配模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬后，可以進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，還可以觀察模型中某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，繪出位置速度、加速度曲線，并分析其運(yùn)動(dòng)特征，為相關(guān)計(jì)算提供依據(jù)，保證了產(chǎn)品開發(fā)的可靠性，同時(shí)有利于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期[4]。 1.3設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容 對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行過程中連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究?jī)?nèi)容有： 1. 對(duì)連桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，分析連桿中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)連桿的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的計(jì)算和校核，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 2.根據(jù)已知的4110柴油機(jī)的性能特點(diǎn)，嚴(yán)格按照《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的要求，進(jìn)行了該柴油機(jī)連桿的設(shè)計(jì)，選定了連桿的結(jié)構(gòu)型式、大小頭及桿身的結(jié)構(gòu)和尺寸，以及潤(rùn)滑方式、定位方式等，再進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的計(jì)算，完成連桿的設(shè)計(jì)過程。 3.利用CAD、Pro/E軟件對(duì)連桿進(jìn)行了三維幾何建模，在利用ANSYS軟件進(jìn)行連桿的前處理過程中，包括實(shí)體建模、定義材料屬性、定義單元類型、網(wǎng)格劃分；求解過程，包括施加約束、施加載荷、進(jìn)行求解計(jì)算；后處理過程，包括結(jié)果的觀察、分析和檢驗(yàn)。經(jīng)過這三個(gè)環(huán)節(jié)，就完成了基于ANSYS的連桿強(qiáng)度分析。 第2章 連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 2.1 連桿的運(yùn)動(dòng)和受力分析 連桿是柴油機(jī)傳遞動(dòng)力的主要運(yùn)動(dòng)件,在機(jī)體中作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng),連桿小頭隨活塞作上下運(yùn)動(dòng),連桿大頭隨曲軸作高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿桿身在大、小頭孔運(yùn)動(dòng)的合成下作復(fù)雜的擺動(dòng)。其作用是將活塞頂?shù)臍怏w壓力傳給曲軸，又受曲軸驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)活塞壓縮氣缸中的氣體[3]。 連桿組在工作時(shí)工作條件惡劣承受著三方面的作用力； 1.氣缸內(nèi)的燃?xì)鈮毫Γ? 2.活塞連桿組的往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力； 3.連桿高速擺動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的橫向慣性力。 這三種力的大小和方向隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化而不斷地變化。綜合起來的結(jié)果使連桿處于一種交變的復(fù)雜受力狀態(tài)。 由于連桿為一細(xì)長(zhǎng)桿件，當(dāng)受壓縮和橫向慣性力作用時(shí)，若連桿桿身剛度不足，則會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。若在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)發(fā)生彎曲，則危害更大，造成軸承不均勻磨損，甚至燒瓦。 2.2 連桿的結(jié)構(gòu)分析 連桿組一般由連桿體、大頭蓋、連桿螺栓、軸瓦和連桿小頭襯套等組成。連桿體包括連桿小頭、桿身和連桿大頭的上部。連桿大頭的上部與連桿大頭蓋一起組成連桿大頭，連桿結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 圖2-1 連桿結(jié)構(gòu)圖 1-連桿襯套2-連桿小頭3-連桿桿身4-連桿螺釘5-連桿大頭 6-連桿軸瓦 7-連桿端蓋 8-連桿軸瓦凸鍵 9-連桿軸瓦定位槽 連桿把活塞和曲軸連接起來，連桿小頭與活塞銷相連接，并與活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；連桿大頭與曲柄銷相連接，和曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；連桿的其余部分則作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。作用于活塞上的力經(jīng)連桿傳給曲軸[5]。 連桿必須具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度。在力的作用下，桿身應(yīng)該不致被顯著壓彎，連桿大小頭也應(yīng)該不致顯著失圓。桿身彎曲會(huì)使活塞相對(duì)于氣缸、軸承相對(duì)于軸頸發(fā)生歪斜；也的失圓會(huì)使軸承失去正常配合。如果強(qiáng)度不足，在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)過程中一旦發(fā)生連桿桿身、大頭蓋和連桿螺栓斷裂，就會(huì)使機(jī)器受到嚴(yán)重的破壞。 2.3 連桿的工作條件和設(shè)計(jì)要點(diǎn) 連桿在高速運(yùn)動(dòng)中承受由活塞組傳遞的氣缸壓力和往復(fù)慣性力的反復(fù)壓縮和拉伸，由此可能產(chǎn)生疲勞破壞，是內(nèi)燃機(jī)主要受力運(yùn)動(dòng)件之一。連桿大小頭軸承的潤(rùn)滑條件苛刻，工作中反復(fù)受到擠壓和沖擊[6]。 “小體積、大功率、低油耗”是高性能柴油機(jī)對(duì)連桿提出的基本要求，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下： 1.在確保足夠強(qiáng)度和剛度的條件下盡可能減輕外形尺寸和質(zhì)量； 2.注意過渡圓角及細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，特別是連桿小頭與桿身的過渡圓角及連桿大頭蓋的螺栓支承面的過渡圓角設(shè)計(jì)，防止應(yīng)力集中； 3.必須根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求合理確定結(jié)構(gòu)參數(shù)和連桿體與連桿蓋的剖分形式。 2.4 連桿的材料性能及特點(diǎn) 柴油機(jī)連桿在整個(gè)工作過程中受拉伸、壓縮以及慣性力和連桿力矩所生成的交變的載荷，尤其是大功率柴油機(jī)的工作條件更差，因此必須保證連桿具有足夠的疲勞強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)剛度。這就要求在連桿材料的選擇上針對(duì)具體的柴油機(jī)而采用高強(qiáng)度材料并輔以綜合措施。 目前用于連桿的材料多為中碳鋼，而對(duì)大功率柴油機(jī)連桿則多采用高強(qiáng)度合金鋼。柴油機(jī)連桿選用中碳合金優(yōu)質(zhì)鋼，選用中碳合金鋼是因?yàn)樗?jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理之后能夠發(fā)揮良好的機(jī)械性能加進(jìn)少許合金元素是為了再提高其機(jī)械性能在鋼中加入錳元素使鋼具有較高的拉伸強(qiáng)度極限、較高的硬度及較好的韌性；加入少量鉻不但能大幅度提高拉伸強(qiáng)度極限和硬度，還能增加鋼在熱處理時(shí)的穩(wěn)定性；鉬加入鋼中能使鋼具有較大的強(qiáng)度極限、屈服極限和很好的塑性。這種鋼經(jīng)過熱處理后具有纖維斷面,這對(duì)受沖擊、受交變載荷的連桿特別有用。 為了保證連桿在結(jié)構(gòu)輕巧的條件下有足夠的剛度和強(qiáng)度，本設(shè)計(jì)采用精選優(yōu)質(zhì)中碳結(jié)構(gòu)鋼模鍛，表面噴丸強(qiáng)化處理，提高強(qiáng)度[4]。 2.5 連桿基本參數(shù)的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定4110柴油機(jī)的主要性能參數(shù)如表2.1所示。 表2.1 4110柴油機(jī)主要性能參數(shù) 氣缸排列方式 直列四缸 供油方式 多點(diǎn)噴射 排量/L 4.751 缸徑/mm 110 行程/mm 125 曲柄半徑 62.5 連桿長(zhǎng)/mm 195 缸心距/mm 135 壓縮比 16 額定功率/kW 70(2400 r/min) 平均有效壓力 0.74MP 增壓度 30 曲軸角速度 251.2rad/s 最大爆發(fā)壓力 10Mpa 活塞組質(zhì)量 2.529kg 連桿的長(zhǎng)短直接影響到柴油機(jī)的高度及側(cè)壓力的大小,較長(zhǎng)的連桿能使慣性力增加,而同時(shí)在側(cè)壓力方面的改善卻不明顯。因此在柴油機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),當(dāng)運(yùn)動(dòng)件不與有關(guān)零部件相碰時(shí),都力求縮短連桿的長(zhǎng)度。 連桿長(zhǎng)度L（即連桿大小頭孔中心距）與結(jié)構(gòu)參數(shù)（R為曲柄半徑）有關(guān)。連桿長(zhǎng)度越短，即越大，則可降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度，減輕運(yùn)動(dòng)件重量和整機(jī)重量，對(duì)高速化有利，但大，使二級(jí)往復(fù)慣性力及氣缸側(cè)壓力增大，并增加曲軸平衡塊與活塞、氣缸相碰的可能性。 在現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)中，連桿長(zhǎng)度的下限大約是l=3.2，即=1/3.2，上限大約是l=4R。連桿長(zhǎng)度的確定必須與所設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)整體相適應(yīng)，連桿設(shè)計(jì)完成后應(yīng)進(jìn)行零件之間的防碰撞校核，應(yīng)校核當(dāng)連桿在最大擺角位置上時(shí)是否與氣缸套的下緣相碰，以及當(dāng)活塞在下止點(diǎn)附近位置上時(shí)活塞下緣是否與平衡重相碰，它們之間的最小距離都不應(yīng)小于2～5毫米[3]。 在機(jī)體的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)根據(jù)要求設(shè)計(jì)出連桿長(zhǎng)度為195mm。 2.6 連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.6.1 小頭結(jié)構(gòu)型式 現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)絕大多數(shù)采用浮式活塞銷，也就是說，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中活塞的銷座中和在連桿的小頭中都是能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的。 本連桿的小頭的設(shè)計(jì)采用薄壁圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，為了耐磨，在小頭孔內(nèi)還壓有耐磨襯套。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)形簡(jiǎn)單、制造方便，材料能充分應(yīng)用，受力時(shí)應(yīng)力分布較均勻。連桿小頭的構(gòu)造如圖2-2所示。 圖 2-2 連桿小頭結(jié)構(gòu)型式 2.6.2連桿襯套 襯套與連桿小頭孔為過盈配合，青銅襯套與活塞銷的配合間隙大致在（0.0004～0.0015）d的范圍內(nèi)，在采用粉末冶金襯套時(shí)，由于襯套壓入后，內(nèi)徑會(huì)縮小，因此配合間隙應(yīng)適當(dāng)放大，一般大致在（0.0015～0.0020）d。在四沖程柴油機(jī)中，為減少小頭軸承的沖擊負(fù)荷，間隙應(yīng)盡量取小些，以不發(fā)生咬合為原則。 在小頭上方開有集油孔或集油槽，靠曲軸箱中飛濺的油霧進(jìn)行潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油的均勻分布可通過襯套上開布油槽來達(dá)到。 設(shè)計(jì)襯套寬度與連桿小頭等寬，襯套的厚度一般為，本設(shè)計(jì)取。 2.6.3小頭結(jié)構(gòu)尺寸 小頭結(jié)構(gòu)尺寸主要是小頭襯套內(nèi)徑d1和寬度B2、小頭外徑D1、小頭孔直徑d和潤(rùn)滑方式。柴油機(jī)B1≈d1。根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖表-國(guó)產(chǎn)典型中小功率高速柴油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)表得到以下數(shù)據(jù)： 2.7連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.7.1桿身結(jié)構(gòu)型式 連桿桿身的截形十分重要,它應(yīng)能在保證強(qiáng)度的前提下有盡量較輕的重量,此外,還要有利于該截面形狀向大端、小端的過渡,因此柴油機(jī)連桿桿身常采用工字形截面。連桿桿身采用工字形截面，其長(zhǎng)軸位于連桿擺動(dòng)平面，這種截面對(duì)材料利用得最為合理，這是由于連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)上下兩端的連接相當(dāng)于鉸支，而在垂直連桿擺動(dòng)平面的方向，其上下兩頭的連接則相當(dāng)于兩端固定的壓桿，故后者穩(wěn)定性好，允許的失穩(wěn)臨界力大。若想使連桿在相同載荷作用下，這兩個(gè)平面內(nèi)的穩(wěn)定性相同，則必須Ix≈4Iy,據(jù)統(tǒng)計(jì)Ix=（2～3）Iy，這使連桿在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)有較大的抗彎能力。 連桿桿身截面的高H一般大約是截面寬度的1.4～1.8倍，而B大約等于（0.3～0.4）D(D為氣缸直徑)。為了使桿身能與小頭和大頭圓滑過渡，桿身截面是由上向下逐漸增大的。桿身的最小截面積與活塞面積之比，對(duì)于鋼制連桿來說大約是在的范圍內(nèi)[6]。 2.7.2桿身結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖表-國(guó)產(chǎn)典型中小功率高速柴油機(jī)連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)表得到以下數(shù)據(jù)： 桿身截面寬度B約等于(為氣缸直徑)，取，截面高度，取。 為使連桿從小頭到大頭傳力比較均勻，在桿身到小頭和大頭的過渡處用足夠大的圓角半徑。 2.8 連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.8.1 大頭結(jié)構(gòu)型式 連桿大頭的結(jié)構(gòu)與尺寸基本上決定于曲柄銷直徑D2、長(zhǎng)度B2、連桿軸瓦厚度δ2和連桿螺栓直徑dm。其中D2、B2是根據(jù)曲軸強(qiáng)度、剛度和軸承的承壓能力，在曲軸設(shè)計(jì)中確定。為了結(jié)構(gòu)緊湊，軸瓦厚度δ2趨于減薄，因此，本處所謂設(shè)計(jì)大頭設(shè)計(jì)，實(shí)際上是指確定連桿大頭在擺動(dòng)平面內(nèi)某些主要尺寸，連桿大頭剖分形式，定位方式，及大頭蓋得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。連桿大頭與連桿蓋得分開面大多垂直連桿軸線，稱為平切口連桿。由于平切口連桿的大頭具有較大的剛度，軸承孔受力變形小及制造費(fèi)用低，一般都采用這種結(jié)構(gòu)。 2.8.2大頭結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》得到以下數(shù)據(jù)： 連桿大頭與連桿蓋的分開面采用平切口，大頭凸臺(tái)高度，取，取，為了提高連桿大頭結(jié)構(gòu)剛度和緊湊性，連桿螺栓孔間距離，取，一般螺栓孔外側(cè)壁厚不小于2毫米，取5毫米，螺栓頭支承面到桿身或大頭蓋的過渡采用盡可能大的圓角。 2.9 連桿螺栓的設(shè)計(jì) 根據(jù)氣缸直徑初選連桿螺紋直徑，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，取。 2.10 本章小結(jié) 本章在設(shè)計(jì)連桿的過程中，是很重要一環(huán)，先對(duì)連桿進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析、受力分析，而后對(duì)連桿設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要地分析，并說明了連桿的工作條件和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，還對(duì)連桿的材料性能及特點(diǎn)進(jìn)行了比較與分析。之后分別確定了連桿小頭、連桿桿身、連桿大頭、以及螺栓的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，還對(duì)各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了分析。 第3章 連桿的強(qiáng)度、剛度計(jì)算 3.1連桿小頭的強(qiáng)度校核 以過盈壓入連桿小頭的襯套，使小頭斷面承受拉伸壓力。若襯套材料的膨脹系數(shù)比連桿材料的大，則隨工作時(shí)溫度升高，過盈增大，小頭斷面中的應(yīng)力也增大。此外，連桿小頭在工作中還承受活塞組慣性力的拉伸和扣除慣性力后氣壓力的壓縮，可見工作載荷具有交變性。上述載荷的聯(lián)合作用可能使連桿小頭及其桿身過渡處產(chǎn)生疲勞破壞，故必須進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，如圖3.1所示。 圖3.1 連桿小頭主要結(jié)果尺寸 1.襯套過盈配合的預(yù)緊力及溫度升高引起的應(yīng)力 計(jì)算時(shí)把連桿小頭和襯套當(dāng)作兩個(gè)過盈配合的圓筒，則在兩零件的配合表面，由于壓入過盈及受熱膨脹，小頭所受的徑向壓力為： 　　 （3.1） 式中：—襯套壓入時(shí)的過盈，； 一般青銅襯套，取， 其中：—工作后小頭溫升,約； —連桿材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于鋼 ； —襯套材料的線膨脹系數(shù)，對(duì)于青銅； 、—連桿材料與襯套材料的伯桑系數(shù)，可取； —連桿材料的彈性模數(shù)，鋼； —襯套材料的彈性模數(shù)，青銅； 計(jì)算小頭承受的徑向壓力為： 由徑向均布力引起小頭外側(cè)及內(nèi)側(cè)纖維上的應(yīng)力，可按厚壁筒公式計(jì)算， 外表面應(yīng)力： （3.2） 內(nèi)表面應(yīng)力： （3.3） 的允許值一般為，校核合格。 2.連桿小頭的疲勞安全系數(shù) 連桿小頭的應(yīng)力變化為非對(duì)稱循環(huán)，最小安全系數(shù)在桿身到連桿小頭的過渡處的外表面上為： （3.4） 式中：—材料在對(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限； ，??； —材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，?。? —應(yīng)力幅， ； —平均應(yīng)力，； —工藝系數(shù)，，取0.6。 則 連桿小頭的疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)在制造工況穩(wěn)定情況下，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)可達(dá)到1.5左右，一般約在范圍之內(nèi)，基本符合要求。 3.2連桿小頭的剛度計(jì)算 當(dāng)采用浮動(dòng)式活塞銷時(shí)，必須計(jì)算連桿小頭在水平方向由于往復(fù)慣性力而引起的直徑變形，其經(jīng)驗(yàn)公式為: （3.5） 式中：—連桿小頭直徑變形量，； —連桿小頭的平均直徑，； —連桿小頭斷面積的慣性矩。 則 對(duì)于一般發(fā)動(dòng)機(jī)，此變形量的許可值應(yīng)小于直徑方向間隙的一半，標(biāo)準(zhǔn)間隙一般為，則校核合格。 3.3連桿桿身的強(qiáng)度校核 連桿桿身在不對(duì)稱的交變循環(huán)載荷下工作，它受到位于計(jì)算斷面以上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量的慣性力的拉伸，在爆發(fā)行程，則受燃?xì)鈮毫蛻T性力差值的壓縮，為了計(jì)算疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，必須現(xiàn)求出計(jì)算斷面的最大拉伸、壓縮應(yīng)力。 1.最大拉伸應(yīng)力 由最大拉伸力引起的拉伸應(yīng)力為： （3.6） 式中：—連桿桿身的斷面面積，柴油機(jī)，為活塞投影面積 取 。 則最大拉伸應(yīng)力為： 2.桿身的壓縮與縱向彎曲應(yīng)力 桿身承受的壓縮力最大值發(fā)生在做功行程中最大燃?xì)庾饔昧r(shí)，并可認(rèn)為是在上止點(diǎn)，最大壓縮力為： （3.7） 連桿承受最大壓縮力時(shí)，桿身中間斷面產(chǎn)生縱向彎曲。此時(shí)連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲，可認(rèn)為連桿兩端為鉸支，長(zhǎng)度為；在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)的彎曲可認(rèn)為桿身兩端為固定支點(diǎn)，長(zhǎng)度為，因此在擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： （3.8） 式中：—系數(shù)，對(duì)于常用鋼材，，?。? —計(jì)算斷面對(duì)垂直于擺動(dòng)平面的軸線的慣性矩，； ； 將式（3.8）改為： 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　（3.9）式中 —連桿系數(shù)，； 則擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： 同理，在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： （3.10） 將式（3.10）改成： （3.11） 式中：—連桿系數(shù)，。 則在垂直于擺動(dòng)平面內(nèi)的合成應(yīng)力為： 和的許用值為 ，所以校核合格。 3.連桿桿身的安全系數(shù) 連桿桿身所受的是非對(duì)稱的交變循環(huán)載荷，把或看作循環(huán)中的最大應(yīng)力，看作是循環(huán)中的最小應(yīng)力，即可求得桿身的疲勞安全系數(shù)。 循環(huán)的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，在連桿擺動(dòng)平面為： （3.12） （3.13） 在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)為： （3.14） （3.15） 連桿桿身的安全系數(shù)為： （3.16） 式中：—材料在對(duì)稱循環(huán)下的拉壓疲勞極限，（碳素鋼），取；—材料對(duì)應(yīng)力循環(huán)不對(duì)稱的敏感系數(shù)，取=0.2；—工藝系數(shù)，，取0.6。 在垂直擺動(dòng)平面內(nèi)連桿桿身的安全系數(shù)為： 桿身安全系數(shù)許用值在的范圍內(nèi)，則校核合格。 3.4連桿大頭的強(qiáng)度校核 假設(shè)通過螺栓的緊固連接，把大頭與大頭蓋近似視為一個(gè)整體，彈性的大頭蓋支承在剛性的連桿體上，固定角為，通常取，作用力通過曲柄銷作用在大頭蓋上按余弦規(guī)律分布，大頭蓋的斷面假定是不變的，且其大小與中間斷面一致，大頭的曲率半徑為。 連桿蓋的最大載荷是在進(jìn)氣沖程開始的，計(jì)算得： （3.17） 作用在危險(xiǎn)斷面上的彎矩和法向力由經(jīng)驗(yàn)公式求得： （3.18） 由此求得作用于大頭蓋中間斷面的彎矩為： （3.19） 作用于大頭蓋中間斷面的法向力為： （3.20） 式中：，—大頭蓋及軸瓦的慣性矩，； ，—大頭蓋及軸瓦的斷面面積，； 在中間斷面的應(yīng)力為： （3.21） 式中：—大頭蓋斷面的抗彎斷面系數(shù)。 計(jì)算連桿大頭蓋的應(yīng)力為： 一般發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭蓋的應(yīng)力許用值為，則校核合格。 3.5連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿螺栓受到兩種力的作用：預(yù)緊力P和最大拉伸載荷，預(yù)緊力由兩部分組成：一是保證連桿軸瓦過盈度所必須具有的預(yù)緊力P1；二是保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，連桿大頭與大頭蓋之間的結(jié)合面不致因慣性力而分開所必須具有的預(yù)緊力P2[7]。 連桿上的螺栓數(shù)目為2，則每個(gè)螺栓承受的最大拉伸載荷為往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力在氣缸中心線上的分力之和，即： （3.22） 軸瓦過盈量所必須具有的預(yù)緊力由軸瓦最小應(yīng)力，由實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)可得一般為，取30，由于發(fā)動(dòng)機(jī)可能超速，也可能發(fā)生活塞拉缸，應(yīng)較理論計(jì)算值大些，一般取，取。 3.6連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算 連桿螺栓預(yù)緊力不足不能保證連接的可靠性，但預(yù)緊力過大則可能引起材料超出屈服極限，則應(yīng)校核屈服強(qiáng)度，滿足： （3.23） 式中：—螺栓最小截面積，； —螺栓的總預(yù)緊力，； —安全系數(shù)，，取1.7； —材料的屈服極限，一般在600以上[16]。 那么連桿螺栓的屈服強(qiáng)度為： 則校核合格。 3.7本章小結(jié) 本章在設(shè)計(jì)連桿的過程中，首先計(jì)算了連桿小頭承受的徑向力、疲勞安全系數(shù)、對(duì)連桿剛度進(jìn)行了校核，之后又計(jì)算了連桿桿身的最大拉伸力、疲勞安全系數(shù).還對(duì)連桿大頭進(jìn)行了同樣的強(qiáng)度剛度校核，使其滿足實(shí)際加工的要求，最后根據(jù)工作負(fù)荷和預(yù)緊力選擇了連桿螺栓，并進(jìn)行檢驗(yàn)校核。 第4章 連桿三維模型的建立及有限元分析 根據(jù)上一章已經(jīng)設(shè)計(jì)出來的連桿結(jié)構(gòu)和尺寸，運(yùn)用Pro/E進(jìn)行三維建模。因?yàn)檫^程中有很多的步驟，不可能一一詳列，故本論文省略了一些小的過程，只將建模的一些關(guān)鍵過程記錄下來。 4.1 建立連桿大小頭及桿身 4.1.1建立新文件 1.選擇菜單中的【文件】→【新建】命令，出現(xiàn)【新建】對(duì)話框，在對(duì)話框中選擇【零件】→【實(shí)體】，在【文件名】欄中輸入“l(fā)ianganti”，不實(shí)用【缺省模版】，單擊【確定】，如圖4-1所示。 圖4-1 4.1.2建立連桿體主體 1.選擇FRONT面。 選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入。 2.定義內(nèi)部草繪，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線。 3.選擇拉伸厚度29.86mm。 4.選擇基準(zhǔn)平面命令，參照TOP面，偏距平移輸入30.78mm。 5.選擇DTM1面，選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入。 6.繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線。 7.選擇去材料。 8.選擇FRONT面，選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入。 9.定義內(nèi)部草繪，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定后，選擇去材料，如圖4-2所示。 圖4-2 連桿主體 4.1.3建立連桿大頭和小頭 1.建立DTM2面，輸入14.87。 2.以DTM2面為基準(zhǔn)，向兩邊使用拉伸命令。 3.同上，以PRONT面為基準(zhǔn)，向兩邊使用拉伸命令，如圖4-3所示。 圖4-3 連桿大頭 4.1.4建立小頭油孔 1.建立DTM3面。 2.選擇DTM1面，選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入。 3.定義內(nèi)部草繪，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定后，選擇去材料，如圖4-4所示。 圖4-4 連桿小頭油孔 4.1.5建立連桿凹槽 1.選擇大頭的兩個(gè)平面，選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入。 2.定義內(nèi)部草繪，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定后，選擇去材料。 4.1.6 建立連桿大頭部位凸臺(tái) 1.選擇大頭平切口所在平面，如圖4-5所示。 圖4-5 連桿平切口凸臺(tái) 2.選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入。定義內(nèi)部草繪，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定后，選擇去材料。 3.再根據(jù)上一步命令，使用拉伸命令。 4.使用拉伸命令補(bǔ)充其中空位，如圖4-6所示。 圖4-6 4.1.7建立螺栓孔 1.繼續(xù)選擇凸臺(tái)的平切口為基準(zhǔn)面。 2.選擇菜單中的【插入】→【拉伸】命令進(jìn)入。定義內(nèi)部草繪，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定后，選擇去材料。 3.連桿體完成，如圖4-7所示。 圖4-7 連桿體 4.2建立連桿端蓋 建立連桿端蓋的過程比較簡(jiǎn)單，很多過程與上一部分相似，這里不再贅述。建成的連桿端蓋如圖4-8所示。 圖4-8 連桿大頭端蓋 4.3建立連桿螺栓、螺母和墊圈 1.建立新文件。 2.定義內(nèi)部草繪，繪制基本曲線，運(yùn)用直線、圓、倒角、剪切等命令按照設(shè)計(jì)的尺寸繪制出輪廓曲線，確定。 3.建立螺紋主體。如圖4-9（a）所示。 (1)使用拉伸命令，建立圓柱。 (2)使用螺旋命令，建立螺紋。 4.建立螺母。如圖4-9（b）所示。 5.建立墊圈。如圖4-9（c）所示。 圖4-9 連桿螺栓體（a） （b） （c） 4.4建立軸瓦及襯套 1.建立軸瓦的過程比較簡(jiǎn)單，很多過程與上一部分相似，這里不再贅述，建成的連桿端蓋如圖4-10所示。 圖4-10 連桿軸瓦 2.建立襯套的過程比較簡(jiǎn)單，很多過程與上一部分相似，這里不再贅述，建成的連桿端蓋如圖4-11所示。 圖4-11 連桿襯套 最終完成連桿如圖4-12所示。 圖4-12 連桿圖 4.5連桿工況選擇與載荷計(jì)算 4.5.1 計(jì)算工況的選擇 在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，它受到的力是周期變化的。本軟件模擬最惡劣的工況進(jìn)行計(jì)算，即把連桿的受力狀態(tài)固定在工況最惡劣的瞬時(shí)，在連桿的兩個(gè)側(cè)面并無外力作用，化為在靜力作用下的應(yīng)力分析問題來處理[3]。 4.5.2 連桿載荷的計(jì)算 1.最大受拉工況 取進(jìn)氣開始時(shí)刻的最大慣性載荷作為連桿的最大受拉工況，此時(shí)連桿小頭受到的是活塞組M1的最大往復(fù)慣性力： （4.1） 連桿大頭則是承受活塞組和連桿小頭往復(fù)慣性力及連桿大頭產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力： （4.2） 式中，，分別為活塞組、連桿小頭和連桿大頭的慣性力。 小頭內(nèi)孔表面的面積為： （4.3） 大頭內(nèi)孔表面的面積為： （4.4） 連桿小頭受到的是活塞組的最大往復(fù)慣性力，這個(gè)力在小頭內(nèi)孔表面的面積上產(chǎn)生的壓力為： （4.5） 連桿大頭則是承受活塞組和連桿小頭往復(fù)慣性力及連桿大頭產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)慣性力，這個(gè)力在大頭內(nèi)孔表面的面積上產(chǎn)生的壓力為： （4.6） 2.最大受壓工況 已知?dú)飧變?nèi)最大爆發(fā)壓力為： （4.7） 氣缸內(nèi)氣體最大爆發(fā)壓力的一瞬間，此時(shí)連桿承受最大壓力以及活塞組和連桿體本身的慣性力。這時(shí)連桿小頭載荷為： （4.8） 這個(gè)力在小頭內(nèi)孔表面積上產(chǎn)生的壓力為： （4.9） 連桿大頭上的載荷為： （4.10） 這個(gè)力在大頭內(nèi)孔表面的面積上產(chǎn)生的壓力為： （4.11） 4.6連桿幾何模型的建立 利用Pro/E建立三維立體模型建立準(zhǔn)確、可靠的計(jì)算模型 ,是應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析的重要步驟之一。在進(jìn)行有限元分析時(shí),應(yīng)盡量按照實(shí)物來建立有限元分析模型 ,但對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體 ,完全按照實(shí)物結(jié)構(gòu)來建立計(jì)算模型、進(jìn)行有限元分析有時(shí)會(huì)變得非常困難 ,甚至是不可能的 ,因此可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。一般來說 ,因模型帶來的誤差要比有限元計(jì)算方法本身的誤差大得多。所以,有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于計(jì)算模型的準(zhǔn)確性[8]。 當(dāng)前，有限元分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用，它不僅縮短了設(shè)計(jì)周期，而且也大大提高了設(shè)計(jì)精度。首先將Pro/E建立的三維立體模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，軟件就可進(jìn)行如下處理：(1)零件粘接；(2)定義分析類型：結(jié)構(gòu)分析；(3)定義單元類型；(4)定義材料屬性；(5)網(wǎng)格化分。對(duì)于操作過程，只簡(jiǎn)述三個(gè)，其余具體操作不再贅述。 1.定義單元類型 ANSYS Main Menu-Preprocessor-Element Type-Add/Exit/Delete[Library of Element Types-Structural-Solid-Tet-10node 92]，如圖4-13所示。 圖 4-13 定義單元類型 2.定義材料屬性 (1)[Material Model Number1-structural-Linear-Elastic-Isotropic]。 (EX=2.09E+11 PRXT=0.269 ) (2)點(diǎn)擊Material-New Model... [Define Material ID=2 OK] [Material Model Number1-structural-Linear-Elastic-Isotropic]。 (EX=2.09E+11 PRXT=0.269 ) (3)點(diǎn)擊Material-New Model... [Define Material ID=3 OK] [Material Model Number1-structural-Linear-Elastic-Isotropic]。 (EX=2.09E+11 PRXT=0.269 ) (4)點(diǎn)擊Material-New Model... [Define Material ID=4 OK] [Material Model Number1-structural-Linear-Elastic-Isotropic]。 (EX=2.09E+11 PRXT=0.269 ) 表4.1 中碳結(jié)構(gòu)鋼45模鍛材料屬性 材料名稱 彈性模量E (N/m^2) 泊松比μ ( ) 質(zhì)量密度ρ (kg/m^3) 抗剪模量 (N/m^2) 張力強(qiáng)度 (N/m^2) 屈服強(qiáng)度 (N/m^2) 45 2.09E+11 0.269 7.89E+03 8.23E+10 6.00E+08 3.55E+08 3.網(wǎng)格的劃分 在網(wǎng)格劃分之前，需要定義分析類型，定義單元類型、定義材料屬性等[9]。這些屬性對(duì)有限元分析來說，非常重要，不僅影響到網(wǎng)格劃分，而且最關(guān)鍵的是，對(duì)求解的精度影響極大，如圖4-14所示。 (1)[點(diǎn)擊Set后：默認(rèn)對(duì)1號(hào)零件劃分網(wǎng)格 Element type number=1 SOLID187；Material number=1]。 (點(diǎn)選Smart Size精度設(shè)置在4～6之間) (2)[點(diǎn)擊Set后：默認(rèn)對(duì)1號(hào)零件劃分網(wǎng)格 Element type number=2 SOLID92；Material number=2]。 (點(diǎn)選Smart Size精度設(shè)置在4～6之間) (3)[點(diǎn)擊Set后：默認(rèn)對(duì)1號(hào)零件劃分網(wǎng)格 Element type number=3 SOLID187；Material number=3]。 (點(diǎn)選Smart Size精度設(shè)置在4～6之間) (4)[點(diǎn)擊Set后：默認(rèn)對(duì)1號(hào)零件劃分網(wǎng)格 Element type number=4 SOLID92；Material number=4]。 (點(diǎn)選Smart Size精度設(shè)置在4～6之間) 圖4-14連桿有限元網(wǎng)格圖 4.7約束條件 假定連桿小頭當(dāng)作剛體固定，連桿受拉工況，在連桿小頭內(nèi)側(cè)圓柱面上施加徑向約束，并在小頭端面一側(cè)上施加除徑向外的其余兩方向上的約束。連桿受壓工況，在連桿小頭內(nèi)側(cè)圓柱面上施加徑向約束，并在小頭端面一側(cè)上施加除徑向外的其余兩方向上的約束{10}。為了保證計(jì)算模型滿足實(shí)際情況，在連桿寬度方向中剖面上施加對(duì)稱約束，這樣，整個(gè)連桿的約束就完全了，如圖4-15所示。： ANSYS Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On Areas[Dick Single list of Items選擇約束的面“要固定的表面” 點(diǎn)OK出現(xiàn)約束方向定義 選ALL DOF；VALUE Displacement value=0]。 圖4-15連桿約束網(wǎng)格圖 4.8 連桿應(yīng)力分析 4.8.1連桿拉伸工況下的應(yīng)力分析 運(yùn)用ANSYS 8.0 對(duì)連桿拉伸工況進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖4-16至圖4-25所示。 1.施加載荷 ANSYS Main Menu-Solution-Apply-Structural-Pressure-On Areas [選受力